关于业务上应用条件对称不稳定相关问题的讨论

条件对称不稳定（CSI）理论常常被用来作为倾斜对流的发展机制之一,在业务上常用来解释与锋面相联系的一条或多条中尺度雨带、雷达图像上观测到的带状雨带的成因等。条件对称不稳定的诊断包括CSI斜率判据、斜升对流有效位能（SCAPE）、湿对称不稳定（MSI）、相当位涡（EPV）等判据。业务预报人员存疑较多的问题是这些方法是否具有一致性并在业务上如何使用。针对上述问题,首先通过与业务预报人员较熟悉的条件不稳定类型作类比,来说明条件对称不稳定两种判据与条件不稳定两种判据的相似性。但在业务使用上,判别条件对称不稳定时多使用CSI斜率判据,即等动量面的坡度大于等位温面坡度而小于等湿球位温面坡度。由于条件对称不稳定通常出现在大气处于几乎饱和的情况下,此时的CSI斜率判据则演变为湿对称不稳定判据,即等动量面坡度小于等湿球位温面坡度。为判别相当位涡与湿对称不稳定判据是否具有一致性,文中的推导和实例分析均表明,二维相当位涡实际上是湿对称不稳定判据的另一种表现形式,但是湿对称不稳定判据需主观去比较等相当位温面与等动量面斜率大小,而二维相当位涡则可通过其是否小于0进行客观判断。需注意的是,在与推导条件对称不稳定斜率判据相同的二维坐标下,相当位涡与湿对称不稳定判据才具有一致性,将相当位涡扩展到常规坐标下使用三维相当位涡作为湿对称不稳定判据是不可取的。      

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981～2010年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定（CSI）与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南（4～6月）先北跳到江淮（5～7月）,再到华北（7～8月）的季节性进程,特别是7～8月强降水距平场具有“北多南少”分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞（4～6月）、然后移到江淮（5～7月）,最后到达华北（7～8月）。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925～600 hPa,而6～8月抬升到700～600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风（垂直风切变）作用对倾斜对流有效位能（SCAPE）的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项（CAPE）占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数（CMF index）可指示雨带强降水异常区。     

条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征

条件不稳定湿大气情况下,气流经过三维地形可以形成不同性质的对流系统以及不同特征的地形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流-地形流-重力波三者之间的相互作用,同样这些过程对于地形降水的性质、分布起重要的作用.根据不同湿Fr数(Froude number),湿条件不稳定大气经过三维小尺度山地上空时其对流和地形流动存在4种不同的流域(flow regirnes):(1)下游传播对流模态;(2)上游传播和下游传播共存对流模态;(3)山峰附近准静止和下游传播共存对流模态;(4)下坡稳定和下游传播对流共存模态.地形上空对流系统主要可以通过两种不同机制形成:(1)地形直接的抬升或减速作用;(2)在地形流形成后,由于地形流本身特性(如上游分离、背风涡旋和下坡重力波破碎)触发.在较大的Fr数情况下,地形上空对流生成后反过来可以破坏上、下游的地形流结构,但对背风坡的重力波破碎影响较小.不同初始对流有效位能(CAPE)不仅可以影响对流系统的传播、发展,而且可以影响整体地形流性质.较低的初始CAPE有利于地形流的形成,此时对流对地形流结构特征的影响相对较小,其流场性质与低Fr数流域性质相似.     

川东北一次西北气流型强冰雹天气的成因分析

利用常规气象资料和NCEP／NCAR 1°×1° 6h再分析资料,从大气环流形势、物理量场等方面对2007年4月29日发生在川东北地区的一次强冰雹天气过程的成因进行了分析。结果表明：此次西北气流型冰雹天气是在低能量环境场条件下发生的;冰雹天气发生前12h内降雹区的对流有效位能激增、午后下垫面强烈加热对大气不稳定性增强的作用显著;大气层结对流不稳定、湿对称不稳定、充足的水汽以及干线（露点锋）的存在为此过程提供了有利条件。     

新疆和田“2010.3.12”区域性黑风能量及不稳定条件分析

利用地面自动站观测、MICAPS预报产品以及NCEP/NCAR 1。×1。再分析资料,对2010年3月12日发生在新疆和田地区的一次区域性黑风天气过程进行能量和不稳定条件诊断分析。结果表明：(1)纬向转经向环流的调整和中、低空不断加强的西北锋区结合地面强冷锋的配置结构为黑风天气的暴发提供了强大的动力背景;(2)黑风天气暴发在高能且极不稳定的大气环境条件下;(3)代表能量和不稳定条件的螺旋度、有效位能、对流抑制指数、粗理查森数和假相当位温在时间、落区、强度上与黑风天气的演变极为吻合,具有很好的预报指示意义。     

一次暴雨天气过程的物理量分析

对2002年发生在闽东的一次暴雨天气过程进行分析。结果表明：螺旋度和对流有效位能对暴雨的预报有指示意义,暴雨产生在低层正螺旋度中心与高层负螺旋度中心相配合和中低层有不稳定能量储存的高能区。在暴雨强盛期,螺旋度呈中低层正值,高层负值的上下配置,最大值位于700hPa。对流有效位能大值区与暴雨中心相对应,对流有效位能的时空变化能较好地反映暴雨的时空演变特征。利用中尺度数值模式输出的结果对不稳定能量场进行分析表明,位势不稳定能量的释放是暴雨产生发展的可能机制之一。     

东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系

应用地面自动站1 h雨量资料和NCEP再分析资料,以一次典型的东北冷涡过程(2005年7月8~14日)为例,根据冷涡环流特征,将冷涡过程划分为发展期、成熟期、减弱期3个阶段。发现冷涡发展阶段降水主要由其南部西风锋区湿斜压不稳定产生,属于大范围混合型降水;而其他阶段降水主要由对流不稳定产生,以局地对流性降水为主。冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区,但其分布有较大差异,对流层低层的暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键。发展阶段不稳定能量区分布于离冷涡中心较远的东南部;成熟期位于接近冷涡中心东南部;减弱期位于冷涡减弱形成的低压槽中。不同发展阶段不稳定能量与对流降水有不同的对应关系,冷涡发展期对流有效位能与较大的水汽通量是影响降水落区的主要因素;成熟期对流降水基本发生在对流有效位能区和925 hPa湿区的重叠区域;减弱期对流降水不但与对流有效位能、低层相对湿度有关,而且还取决于对流层低层辐合线。     

长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析

文中分析了 1998年 7月 2 0～ 2 3日发生于长江流域的持续性降水和暴雨过程 ,在分析大尺度降水和中小尺度暴雨相对应的环流场和天气实况的基础上 ,主要分析相应大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定条件 ,并对切变线上涡层不稳定做了重点介绍和分析 ,计算了条件性对称不稳定判据和涡层不稳定判据。结果表明 :降水期间大气低层有对流不稳定和对称不稳定能量的积聚 ,在这两类不稳定条件都基本满足的情况下 ,涡层不稳定的维持对此次降水过程中暴雨的发生提供了有利的不稳定环境场 ,具体的计算分析还表明环境场的配置制约着切变线上低涡扰动的发展 ,是造成降水的重要原因之一。     

2004.5.3暴雨的高分辨不稳定能量分析

分析了江西省2004年5月3日的暴雨过程中,850~500hPa有限区域内不稳定能量的水平分布情况,发现在提高不稳定能量的分辨率后,可以弥补以往稳定度指数空间分辨率不足的缺陷,且其能量高值中心对强降水落区预报有非常好的指示意义。     

Study on moist potential vorticity and symmetric instability during a heavy rain event occurred in the Jiang-Huai valleys

In the light of the theory on moist potential vorticity (MPV) investigation was undertaken of the 700 hPa vertical (horizontal) component MP1 (MPV2) for the heavy rain event occurring in Ju-ly 5-6,1991. Results show that the distribution features of the two components were closely related to the development of a mesoscale cyclone as a rainstorm-causing weather system in the lower troposphere in such a way that the ambient atmosphere of which MPV1>0 and MPV2<0 with |MPVl|≥|MPV2| favored the genesis of conditional symmetric instability (CSI) and that, as in-dicated by calculations, a CSI sector was really existent in the lower troposphere during the heavy rain happening and contributed greatly to its development.     

Application of an artificial neural network for a direct estimation of atmospheric instability from a next-generation imager

Atmospheric instability information derived from satellites plays an important role in short-term weather forecasting,especially the forecasting of severe convective storms. For the next generation of weather satellites for Korea's multi-purpose geostationary satellite program, a new imaging instrument has been developed. Although this imaging instrument is not designed to perform full sounding missions and its capability is limited, its multi-spectral infrared channels provide information on vertical sounding. To take full advantage of the observation data from the much improved spatiotemporal resolution of the imager, the feasibility of an artificial neural network approach for the derivation of the atmospheric instability is investigated.The multi-layer perceptron model with a feed-forward and back-propagation training algorithm shows quite a sensitive response to the selection of the training dataset and model architecture. Through an extensive performance test with a carefully selected training dataset of 7197 independent profiles, the model architectures are selected to be 12, 5000, and 0.3 for the number of hidden nodes, number of epochs, and learning rate, respectively. The selected model gives a mean absolute error,RMSE, and correlation coefficient of 330 J kg~(-1), 420 J kg~(-1), and 0.9, respectively. The feasibility is further demonstrated via application of the model to real observation data from a similar instrument that has comparable observation channels with the planned imager.     

陕西一次远距离台风持续性暴雨的成因分析

利用MICAPS实况观测、卫星云图TBB、地面气象自动观测资料,对2010年7月16—18日陕西一次持续性暴雨天气过程进行诊断分析,结果表明:500 hPa大陆高压,副热带高压稳定维持使得两高之间低值系统稳定少动,宽广的低压底部不断有短波槽携带冷空气东移南下,与两高之间的低值区合并,Conson台风在登陆和减弱的过程中在南海及附近地区维持较长的时间,低层从台风东侧至陕西建立了温湿能通量的能量输送通道,把台风东侧的温湿能沿副热带高压外围偏南风向陕西输送,暴雨位于低层温湿能等值线密集处;条件性对称不稳定与对流不稳定是此次暴雨发展与维持的重要机制,高层湿位涡大值区向下伸展,对暴雨起到增幅的作用。暴雨产生在地面湿静力温度线密集区略偏向于高能中心一侧。     

The generalized energy equation and instability in the two-layer barotropic vortex

The linear two-layer barotropic primitive equations in cylindrical coordinates are used to derive a gen- eralized energy equation, which is subsequently applied to explain the instability of the spiral wave in the model. In the two-layer model, there are not only the generalized barotropic instability and the super high- speed instability, but also some other new instabilities, which fall into the range of the Kelvin-Helmholtz instability and the generalized baroclinic instability, when the upper and lower basic flows are different. They are perhaps the mechanisms of the generation of spiral cloud bands in tropical cyclones as well.     

Effect of vertical overturning circulation scale and moist static energy tendency on MJO phase speed

本文通过对1979-2019年ERA-I再分析资料进行诊断分析,研究了MJO垂直环流(VOC)纬向尺度和湿静力能(MSE)趋势纬向不对称性对MJO传播速度的综合影响.研究结果表明,MJO传播速度与VOC的纬向尺度和MSE趋势纬向梯度之间存在显著的正相关关系.基于上述两个参数,本文建立了线性回归模型,该模型可以较好的估计...     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.